江淮東部平原晚更新世末植被演替及氣候變化

李晨晨， 吳 立,2， 朱 誠， 張文卿， 孫小玲， 路曙光，李肖雪， 張潤澤， 王斌斌， 李如冰

(1.安徽師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院 江淮流域地表過程與區(qū)域響應(yīng)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖 241002；2.中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710061；3.南京大學(xué) 地理與海洋科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210023；4.中國地質(zhì)調(diào)查局 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051)

引言

晚更新世末至全新世最適宜期期間，尤其是末次冰盛期以來，存在數(shù)個(gè)氣候波動(dòng)事件，環(huán)境變化極為頻繁，環(huán)境的變遷包含多個(gè)冷暖旋回,為研究地球氣候環(huán)境的周期性變化規(guī)律和預(yù)測未來氣候演變的趨勢提供了很有意義的參考[1]。積累更多年代控制可靠和代用指標(biāo)意義明確的古氣候記錄是研究區(qū)域氣候和環(huán)境變化的有效途徑，而孢粉具有產(chǎn)量高、易于保存、對植被和氣候反應(yīng)直接等特點(diǎn)，是恢復(fù)古植被、古氣候的重要手段之一[2-5]。

中國東部濱海平原地區(qū)是受東亞季風(fēng)影響顯著的區(qū)域，眾多學(xué)者在此進(jìn)行了大量研究，但許多研究都集中在該區(qū)域的海侵海退[6-15]方面。江淮東部平原作為蘇北盆地的一部分，自古近紀(jì)以來接受連續(xù)沉積，蘊(yùn)含著豐富的古氣候變化信息，有助于重建區(qū)域古氣候環(huán)境[16-18]。同時(shí)，江淮東部平原位于中國東部的南北過渡帶，受東亞季風(fēng)影響顯著，第四紀(jì)以來對氣候變化的響應(yīng)非常敏感[19]，對于探索東亞古季風(fēng)的歷史和亞洲季風(fēng)區(qū)氣候變化具有重要意義。近年來，舒強(qiáng)、陳曄、李吉均、趙志軍等學(xué)者在這一區(qū)域和相鄰區(qū)進(jìn)行了大量相關(guān)研究工作，并取得豐碩成果[1,17-32]。這些研究多是通過磁化率、粒度特征以及地球化學(xué)元素特征等手段反演晚冰期以來長時(shí)間尺度的氣候變化和環(huán)境演變[17-30]，通過古生物記錄如孢粉指標(biāo)[1,31-32]重建晚更新世末期古氣候環(huán)境的研究相對缺乏，支撐區(qū)域古氣候環(huán)境變化的孢粉學(xué)證據(jù)尚需完善。

江淮東部平原的江蘇省興化市蔣家舍剖面位于蘇北盆地中心區(qū)域、泰東河的西岸，前期野外調(diào)研及年代測試表明其是恢復(fù)晚更新世末古氣候的良好材料。因此，我們以該剖面作為研究對象，在AMS14C測年的基礎(chǔ)上，結(jié)合孢粉分析，初步探討了該區(qū)域晚更新世末的植被演替及其所反映的氣候環(huán)境變化，以期為解讀江淮東部平原植被演變和氣候變化補(bǔ)充孢粉學(xué)證據(jù)，同時(shí)為全面認(rèn)識亞洲季風(fēng)區(qū)環(huán)境變化、預(yù)測未來氣候變化趨勢和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)和區(qū)域?qū)Ρ葦?shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

江淮平原指中國江蘇省、安徽省淮河以南、長江以北的地域(圖1)，位于中國重要的自然氣候帶分界線(秦嶺-淮河線)附近，處于中國的季風(fēng)三角區(qū)[10]，其主要由長江、淮河沖積而成，整體地勢低平，東西部海拔高差小。江淮平原氣候?qū)儆诒眮啛釒睾蜐駶櫦撅L(fēng)氣候，北部為亞熱帶和暖溫帶的過渡地帶，受季風(fēng)環(huán)流影響，冬季寒冷干燥，夏季炎熱濕潤，年均溫為15.5-16.5℃，年降水量在1000-1100mm之間[20,33]，東多西少，南多北少，相對濕度較大，無霜期多在230-240天之間。其中，本研究涉及的江淮東部平原臨近南黃海大陸架，區(qū)域內(nèi)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以沉降為主，低洼地較多，加之流經(jīng)的水系主要是江淮之間的淮河水系下游，河流、湖泊眾多，水網(wǎng)密布。

圖1 江淮平原及其周邊地形與采樣點(diǎn)位置示意圖Fig.1 The Plain of the Yangtze-Huai Rivers,its surrounding terrain and the position illustration of sampling site

2 材料與方法

蔣家舍自然沉積剖面(命名為JJS剖面)位于江蘇省興化市張郭鎮(zhèn)、泰東河西岸，附近有蔣家舍新石器時(shí)代文化遺址，地理坐標(biāo)為120°12′00″E，32°45′40″N。剖面開挖深325cm，按照常規(guī)的垂直地層采樣方法，根據(jù)研究需要和地層劃分，自下而上非等間距采集土層樣品，共計(jì)取樣26塊，用于孢粉分析。同時(shí)，在剖面5-8層自下而上非等間距采集土層樣品，共計(jì)取樣5塊，用于AMS14C精確定年。所有樣品當(dāng)場分樣并裝入樣品袋中密封，期間詳細(xì)記錄樣品所在剖面深度、層位及各層土質(zhì)性質(zhì)等(表1)，地層自上而下標(biāo)序。由于第1層是耕作表土層，且其上有河堤覆土，人類擾動(dòng)明顯，故從第2層開始連續(xù)采樣。

表1 興化JJS剖面地層描述Table 1 The stratigraphic description of the section in the Jiangjiashe,Xinghua

在中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心實(shí)驗(yàn)室中將采集的樣品每塊稱重30g，采用傳統(tǒng)的酸堿法和重液浮選法，進(jìn)行一系列的酸堿處理，經(jīng)重液浮選、稀釋、集中，最后制作活動(dòng)薄片在顯微鏡下進(jìn)行觀察、鑒定、統(tǒng)計(jì)。另外，從剖面中選取五個(gè)樣品進(jìn)行AMS14C精確定年，由中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所AMS14C制樣實(shí)驗(yàn)室和北京大學(xué)核物理與核技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合完成，測年材料主要為含炭屑沉積物及木炭。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 年代序列建立

以碳14的5730年半衰期為基礎(chǔ)，采用AMS14C年齡測定方法，使用國際通用的CALIB 8.1.0程序IntCal20進(jìn)行樹輪校正計(jì)算，并選取置信度最高的Two Sigma Ranges年代結(jié)果(表2)，同時(shí)采用線性插值方法計(jì)算出了地層年代以及沉積速率(圖2)。

表2 興化JJS剖面AMS14C年代及樹輪校正結(jié)果Table 2 The AMS14C data and chronological calibration results of the section in the Jiangjiashe,Xinghua

圖2 興化JJS剖面巖性及深度-年齡模式Fig.2 The lithology and the depth-age pattern of the section in the Jiangjiashe,Xinghua

其中，253-255cm和255-257cm兩處相鄰樣品AMS14C年代及樹輪校正結(jié)果差別明顯，從巖性變化及年代隨深度的關(guān)系來看，推斷應(yīng)當(dāng)存在沉積間斷。這可能是由于26.7-14.5ka BP恰處于末次冰期晚期向全新世暖期到來之前的一個(gè)相對較長時(shí)期的冷干期，中間雖然亦存在溫暖階段，但整體上氣候偏冷干[19-20,34-35]，降水減少，植被覆蓋較差，古地貌面裸露遭受剝蝕，形成沉積間斷。

3.2 孢粉分析結(jié)果

對剖面采集的樣品在中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心進(jìn)行孢粉鑒定和統(tǒng)計(jì)后，得出各科屬孢粉含量(表3)，并進(jìn)行孢粉百分比和孢粉濃度計(jì)算，得到孢粉百分比圖和孢粉濃度圖(圖3和圖4)。結(jié)果表明，興化JJS剖面中發(fā)現(xiàn)有37科屬植物的孢粉，其中喬木花粉中常綠針葉類有鐵杉屬(Tsuga)、云杉屬(Picea)、松屬(Pinus)，常綠闊葉類有栲屬(Castanopsis)、常綠櫟屬[Quercus(E)]、楊梅屬(Myrica)、桃金娘科(Myrtaceae)，落葉闊葉類有樺屬(Betula)、栗屬(Castanea)、胡桃屬(Juglans)、落葉櫟屬[Quercus(D)]、椴屬(Tilia)、楓香屬(Liuidanber)、槭樹科(Aceraceae)、漆樹屬(Rhus)，灌木植物花粉有榛屬(Corylus/Ostryopsis)、麻黃屬(Ephedra)、木犀科(Oleaceae)、薔薇科(Rosaceae)。草本植物花粉有蒿屬(Artemisia)、石竹科(Caryophyllaceae)、藜科(Chenopodiaceae)、菊科(Compositae)、旋花科(Convolvulaceae)、十字花科(Cruciferae)、禾本科(Gramineae)、茜草科(Rubiaceae)、茄科(Solanaceae)、傘形科(Umbelliferae)、蕁麻科蕁麻屬(Urtica)及水生植物莎草科(Cyperaceae)、莕菜屬(Nymphoides)、香蒲屬(Typha)。蕨類植物孢子有水蕨科(Parkeriaceae)、水龍骨科多足蕨屬(Polypodium)、蕨屬(Pteridium)、單縫孢子(Monolites)、三縫孢子(Trilites)等。

圖3 興化JJS剖面孢粉百分比圖譜Fig.3 The palynological percentage atlas of the section in the Jiangjaishe,Xinghua

圖4 興化JJS剖面孢粉濃度圖譜Fig.4 The palynological concentration atlas of the section in the Jiangjiashe,Xinghua

表3 興化JJS剖面孢粉數(shù)量及類別統(tǒng)計(jì)Table 3 The pollen statistics of quantity and category of the section in the Jiangjiashe,Xinghua

3.3 植被演替與氣候變化

JJS剖面第1層由于人類擾動(dòng)明顯，未進(jìn)行采樣，所以只對下部7個(gè)地層中所發(fā)現(xiàn)的孢粉組合按照年代進(jìn)行分析。根據(jù)各孢粉帶中孢粉組合特征的變化，可以推斷晚更新世末以來江淮東部平原的植被演替和氣候變化經(jīng)歷了如下過程。

孢粉帶Ⅰ(第8層，深度325-255cm，年代27.9-26.7cal.ka BP)取樣3塊。本段孢粉含量較低，尤其是283-285cm處僅發(fā)現(xiàn)17粒孢粉，313-315cm處鑒定、統(tǒng)計(jì)到108粒孢粉，259-261cm處統(tǒng)計(jì)到125粒孢粉。整層木本植物花粉含量較高，為孢粉總數(shù)的53.6%，以針葉喬木松屬為主，另有鐵杉屬、云杉屬等，闊葉樹含量較少，有常綠的栲屬、常綠櫟屬、楊梅屬，落葉闊葉樹有櫟屬，未發(fā)現(xiàn)灌木植物花粉；草本植物花粉占14.4%，有蒿屬、藜科、十字花科，水生植物花粉只有荇菜屬；蕨類植物孢子占32.0%，有水蕨科、水龍骨科、鳳尾蕨科、單縫孢子、三縫孢子等。本段植物以松屬、水蕨科為主，植被為針葉樹為主的針闊葉混交林，反映氣候溫暖、稍濕潤。

孢粉帶Ⅱ(第7層，深度255-235cm，年代14.5-14.2cal.ka BP)取樣4塊。本段孢粉含量較高，每塊樣品統(tǒng)計(jì)到的花粉都超過100粒，在253-255cm處樣品中發(fā)現(xiàn)孢粉達(dá)318粒，而且植物科屬豐富，喬木及灌木植物花粉含量低于蕨類植物孢子含量。木本植物花粉占35.4%，有針葉松屬、鐵杉屬、云杉屬，常綠闊葉樹栲屬、常綠櫟屬，落闊葉樹有板栗屬、櫟屬、椴屬、漆樹屬、楓香屬，灌木植物花粉有木犀科、薔薇科、麻黃屬；草本植物花粉占22.1%，有蒿屬、藜科、十字花科、禾本科、茜草科、傘形科；水生植物花粉香蒲屬含量較高，還有莎草科、荇菜屬。蕨類植物孢子所占含量較前帶有所升高，為孢粉總數(shù)的42.5%，水蕨科占絕對優(yōu)勢、還有水龍骨科、鳳尾蕨科、單縫孢子、三縫孢子。本段植物以松屬和水蕨科為主，植被為有一定比例闊葉樹的針闊葉混交森林，反映氣候溫暖濕潤。

孢粉帶Ⅲ(第6層，深度235-215cm，年代14.2-13.9cal.ka BP)取樣3塊。本段孢粉含量比前帶有所降低，共統(tǒng)計(jì)到了442粒孢粉。本帶草本植物花粉含量明顯上升，占孢粉總數(shù)的46.2%，主要有蒿屬、藜科、十字花科、禾本科、茄科、傘形科，水生草本植物含量大幅下降，僅有少量的香蒲屬、莎草科、荇菜屬。木本植物和蕨類植物含量比前帶下降。木本植物由前帶的35.4%降到21.9%，松屬為主，占孢粉總數(shù)的15.6%。另有少量的鐵杉屬、常綠櫟屬、栲屬、樺屬、落葉櫟屬、椴屬、楓香屬、楊梅屬等。蕨類植物孢子由前帶的42.5%降到31.9%，水蕨科含量較高，水龍骨科、鳳尾蕨科、單縫孢子、三縫孢子少量出現(xiàn)。本段植物以松屬、藜科和水蕨科為主，植被為針葉樹為主的針闊葉混交林草原，反映氣候稍涼干。

孢粉帶Ⅳ(第5層，深度215-145cm，年代13.9-13.1cal.ka BP)取樣8塊，整個(gè)孢粉帶孢粉種類出現(xiàn)相差不大。木本植物花粉含量比第6層有所上升，從前帶的21.9%上升到39.2%，松屬為主，占孢粉總數(shù)的35.0%，另有少量的鐵杉屬、云杉屬、落葉櫟屬、椴屬及少量的樺屬、胡桃屬、楓香屬、漆樹屬、薔薇科、麻黃屬、榛屬等；草本植物花粉含量下降，為孢粉總數(shù)的29.6%，有藜科、蒿屬、十字花科、傘形科和少量的水生香蒲屬；蕨類植物孢子占31.2%，水蕨科含量較高，水龍骨科、鳳尾蕨科、單縫孢子、三縫孢子少量出現(xiàn)。本孢粉帶從孢粉含量看可劃分為上下兩段。下段(215-185cm，13.9-13.5cal.ka BP)取樣4塊樣品，孢粉統(tǒng)計(jì)量均在100粒以上，孢粉含量較高，植被是以針葉樹為主的針闊葉混交森林草原，反映氣候稍涼濕。上段(185-145cm，13.5-13.1cal.ka BP)取樣4塊樣品，孢粉統(tǒng)計(jì)量均在100粒以下，孢粉含量較低，植被為覆蓋度較低的針闊葉混交林草原，氣候?yàn)闆鲚^干。

孢粉帶Ⅴ(第4層，深度145-133cm，年代13.1-13.0cal.ka BP)取樣2塊。本帶孢粉含量低，似延續(xù)了孢粉帶Ⅳ上段植被面貌。木本植物花粉含量持續(xù)下降，僅為孢粉總數(shù)的20.2%，有松屬、落葉櫟屬及少量的栗屬、楊梅屬、桃金娘科，灌木植物花粉極少發(fā)現(xiàn)；草本植物花粉占28.4%，有蒿屬、藜科、十字花科、蕁麻科，未發(fā)現(xiàn)水生草本植物花粉；蕨類植物孢子占51.4%，有水蕨科、單縫孢子、鳳尾蕨科、三縫孢子。植被以水蕨科、蒿屬和松屬為主。本段植被為覆蓋度較低的針闊葉混交林，應(yīng)為植被由于環(huán)境變化遭破壞后形成的植被景觀，反映氣候較干涼。

孢粉帶Ⅵ(第3層，深度133-102cm，年代13.0-12.8cal.ka BP)取樣3塊。本帶孢粉含量仍然較低，植物種屬也較貧乏，3塊樣品共統(tǒng)計(jì)到了83粒孢粉。其中木本植物占孢粉總數(shù)的33.7%，以松屬為主(占26.5%)，常綠櫟屬和薔薇科花粉極少出現(xiàn)；草本植物占30.1%，有藜科、蒿屬、菊科、十字花科、蕁麻科、香蒲屬等；蕨類植物孢子占36.2%，有水蕨科、單縫孢子、三縫孢子。本段植物以松屬、水蕨科、藜科和單縫孢子為主，植被為覆蓋度很低的針闊葉混交林，反映氣候干冷。

孢粉帶Ⅶ(第2層，深度102-82cm，年代12.8-12.6cal.ka BP)取樣3塊。本帶孢粉含量較低，植物種屬也較貧乏，三塊樣品共統(tǒng)計(jì)到了119粒孢粉。其中木本植物占孢粉總數(shù)的43.7%，針葉喬木松屬占孢粉總數(shù)的24.4%，還有常綠櫟屬、楓香屬、漆樹屬及灌木榛屬、薔薇科；草本植物花粉為28.6%，有蒿屬、藜科、十字花科、茜草科；蕨類植物孢子占27.7%，有水蕨科、鳳尾蕨科、單縫孢子、三縫孢子。本段植物以松屬、漆樹屬、蒿屬、藜科和水蕨科為主，植被為針闊葉混交林，反映氣候稍暖濕。

3.4 與鄰近區(qū)域相關(guān)鉆孔的對比

將各孢粉帶中孢粉組合特征表現(xiàn)出的晚更新世末以來江淮東部平原的氣候變化特征與興化市其他鉆孔樣品研究結(jié)果[19-21,24-25,34-35]進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)氣候主要特征表現(xiàn)一致。

27.9-26.7cal.ka BP的孢粉特征反映出氣候溫暖較濕潤，與舒強(qiáng)等學(xué)者[19]關(guān)于30.3-26.0cal.ka BP為相對暖濕期的研究結(jié)論相符合。

結(jié)合舒強(qiáng)等學(xué)者[19-20,34-35]的相關(guān)研究成果可以發(fā)現(xiàn)，蘇北盆地里下河地區(qū)興化市沙溝鎮(zhèn)以南鉆孔樣品的地化元素和氧化物分析結(jié)果顯示26-17.8cal.ka BP為相對冷干期，氣候環(huán)境整體以冷干為主，17.8-15.0cal.ka BP期間氣候環(huán)境以暖為主，處于冷暖波動(dòng)劇烈時(shí)期，以17.2-16.9cal.ka BP和16.1-15.8cal.ka BP期間的冷干突變最為顯著[19]。而16.7-14.6ka BP為晚冰期初期較冷干的環(huán)境，反映了末次冰消期向冰期轉(zhuǎn)變過程中降水量減少，化學(xué)風(fēng)化較弱、溫度低的環(huán)境[20,34-35]。因此，26.7-14.5cal.ka BP期間雖然存在冷暖波動(dòng)劇烈時(shí)期，但氣候環(huán)境整體以冷干為主，降水量減少，溫度較低，植被覆蓋較差，古地貌面裸露遭受剝蝕，形成沉積間斷。

14.5-14.2cal.ka BP時(shí)段處于BA暖期，與14.6-13.1ka BP時(shí)段氣候溫暖濕潤[35]的整體特征相符合。

舒強(qiáng)等學(xué)者對取自江淮平原中部的興化市以南的殷莊橋附近鉆孔樣品進(jìn)行磁化率與粒度組合特征的綜合分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)約14150-12950cal a BP指示的是一個(gè)整體相對暖濕，中部出現(xiàn)變干的氣候變化[20]，14.2-13.5cal.ka BP時(shí)段應(yīng)受較老仙女木氣候事件影響，氣候溫涼稍干。而舒強(qiáng)等學(xué)者在蘇北盆地里下河地區(qū)的興化市周莊鎮(zhèn)鉆孔樣品則表明13.2-11.2cal.ka BP時(shí)段為低溫冷干階段，氣候明顯的干旱化，降水稀少，為相對暖濕轉(zhuǎn)冷干的變化特征，正好對應(yīng)于末次冰期的YD氣候事件[21,25]，因此13.5-12.8cal.ka BP時(shí)段應(yīng)是受YD氣候事件的影響，氣候表現(xiàn)出向干冷發(fā)展的特征。

4 結(jié)論

通過對江淮東部平原上的江蘇興化JJS剖面進(jìn)行AMS14C測年、孢粉鑒定和統(tǒng)計(jì)，分析地層中所包含的孢粉組合特征，重建了研究區(qū)晚更新世末的植被演替與氣候變化，獲得以下初步認(rèn)識：

(1)27.9-26.7cal.ka BP和14.5-14.2cal.ka BP，區(qū)域植物以松屬、水蕨科為主，植被為針葉樹為主的針闊葉混交林。14.2-13.5cal.ka BP，孢粉組合顯示木本植物含量逐漸增加，草本植物花粉含量和蕨類孢子含量持續(xù)下降，植物仍以松屬、水蕨科為主，植被逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)獒橀熑~混交林草原；13.5-12.6cal.ka BP，植物孢粉含量降低，科屬也較貧乏，區(qū)域植被總體為覆蓋度趨低的針闊葉混交林或草原植被，末期重新向針闊葉混交林演替。

(2)晚更新世末江淮東部平原地區(qū)氣候變化較頻繁，發(fā)生了多次冷暖氣候波動(dòng)變化。27.9-26.7cal.ka BP，氣候溫暖濕潤；26.7-14.5cal.ka BP，氣候轉(zhuǎn)變?yōu)楹涓稍铮?4.5-14.2cal.ka BP，氣候溫暖濕潤；14.2-13.5cal.ka BP氣候由稍涼干逐漸變?yōu)樯詻鰸瘢?3.5-12.8cal.ka BP氣候向冷干發(fā)展，12.8-12.6cal.ka BP氣候轉(zhuǎn)向稍暖濕。